太阳能系统与地源热泵系统联合运行方式的探讨

概要：006年1月《可再生能源法》的正式颁布与实施，太阳能、地热能在建筑行业中的应用越来越受到人们的重视。地源热泵技术是可再生能源应用的主要应用方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。随着《地源热泵系统工程技术规范》的实施，地源热泵系统工程的市场更加规范化，能更好的发挥其节能、环保效益。但地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，会从地下过多的取热或过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。太阳能技术也是可再生能源应用的主要应用方向之一。北京属于太阳能资源比较丰富的区域，太阳能年辐射总量在5600MJ/m2～6000MJ/m2，年日照时数在2600小时～3000小时，所以太阳能技术在北京有很好的发展前景，并且太阳能在建筑中的应用是现阶段太阳能应用中最具有发展潜力的领域。太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大，资源丰富，绿色环保。但太阳能也具有一些缺点：（1）太阳能的能流密度低。虽然到达地球表面的太阳能有102000TW，但即使在太阳能资源较丰富的沙漠地区，考虑到太阳集热系统的效率和热损失，每平米

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　　1引言

　　能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接关系到国家的安全和社会稳定。建筑领域消费的能源，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。这些能源，资源有限，不可再生，终究要枯竭，而且传统能源会对环境造成严重的污染。我国人口众多，人均资源占有量低于世界平均水平，与经济发展和人民生活消费的需求相比，能源供应的缺口很大，而且能源消费结构不合理，以煤为主的能源供给造成了严重的大气污染和温室气体排放，我国目前的CO²排放量居世界第二位。我国是京都议定书的签约国，目前的这种能源消费方式，已受到国际社会的高度关注，加大了我们保护环境和改变经济增长模式的压力。因此，节约能源和开发利用清洁、可再生能源的任务十分紧迫。

　　由于能源问题对国家安全和经济发展所起的重要作用，中央提出了建设节能省地型住宅的政策方针，因此，可再生能源在建筑中的应用是建筑业技术进步和行业发展的需要。随着2006年1月《可再生能源法》的正式颁布与实施，太阳能、地热能在建筑行业中的应用越来越受到人们的重视。

　　地源热泵技术是可再生能源应用的主要应用方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。随着《地源热泵系统工程技术规范》的实施，地源热泵系统工程的市场更加规范化，能更好的发挥其节能、环保效益。但地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，会从地下过多的取热或过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。

　　太阳能技术也是可再生能源应用的主要应用方向之一。北京属于太阳能资源比较丰富的区域，太阳能年辐射总量在5600MJ/m2～6000MJ/m2，年日照时数在2600小时～3000小时，所以太阳能技术在北京有很好的发展前景，并且太阳能在建筑中的应用是现阶段太阳能应用中最具有发展潜力的领域。太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大，资源丰富，绿色环保。但太阳能也具有一些缺点：（1）太阳能的能流密度低。虽然到达地球表面的太阳能有102000TW，但即使在太阳能资源较丰富的沙漠地区，考虑到太阳集热系统的效率和热损失，每平米集热器面积实际采集到的年平均太阳能辐射照度不到100W，而且它因地而异，因时而变。（2）太阳能具有间歇性和不可靠性。太阳能的辐照度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，如果遇上连续的阴雨天气太阳能的供应就会中断。此外，太阳能是一种辐射能，具有即时性，太阳能自身不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利用和储存。

　　地源热泵技术和太阳能技术自身存在的这些局限性，如果两种能源能够联合使用，这样能互相弥补自身的不足，提高资源利用率。

　　2太阳能－地源热泵技术应用的条件

　　应用太阳能－地源热泵技术的原则：（1）在经济许可的前提下最大限度地利用太阳能。太阳能是完全免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用最低，所以在经济许可的情况下，尽可能增大太阳集热器的面积，以提高太阳能的利用率。

　　（2）太阳能－地源热泵技术适宜供全年生活热水、冬季供暖、夏季制冷的全年综合利用。在实际工程中，采用新能源后，系统初投资较高，尤其是对太阳集热器，全部是增量成本，最好能全年综合利用。例如：太阳集热器冬季供热、夏季制冷，在过渡季，不设空调时，太阳能除提供生活热水外，将多余的热量储存起来，供冬季供热。这样的做法既可以做到太阳能的综合利用，又可以避免太阳集热器的空晒，增加了太阳集热器的寿命。

　　（3）新能源利用的前提是必须采用节能建筑，以降低系统的初投资。太阳能的能流密度较低，太阳集热系统的价格在目前仍然偏高；地源热泵系统与常规系统相比，初投资也较高。为了尽可能减少系统的初投资，必须保证建筑围护结构符合节能规范的要求，以降低供暖、空调系统的负荷需求。

　　（4）与供水温度要求低的末端系统配套使用。目前高温型的地源热泵机组COP值较低，对于常规地源热泵机组来说，供热时，出水温度较低。同时，太阳集热系统的集热效率与集热系统的出水温度有关，温度越高热损失越大，集热效率降低，因此在选择供暖系统时应优先选择供水温度要求低的形式。

　　3工程概况该示范工程

　　位于北京市通州区，有3栋建筑，为了管理方便，将3栋建筑分为南、北两区。南区建筑面积6625m2；北区建筑面积2835m².主要功能为办公和试验。围护结构的性能参数如下：（1）外墙采用性能优良，技术成熟的墙体外保温构造，基墙墙体主要采用400mm厚加气混凝土砌块，其导热系数为0.14W／（mok），墙体的平均传热系数为0.4W／（m²ok）；框架、异形柱采用加气混凝土砌块，短肢剪力墙、剪力墙采用聚苯挤塑板薄抹灰保温体系；架空层板底粘贴30mm厚的挤塑板，传热系数K≤0.5W／（m²ok）。

　　（2）外窗断热型材铝合金窗K=2.0W／（m²ok）

　　断热型材玻璃幕墙K=2.0W／（m²ok）

　　保温夹心板钢制门K=1.5W／（m²ok）

　　空气渗透性能等级3级（3）屋面屋面的节能措施主要包括两种平屋面的保温体系。屋面主要包括80mm厚彩色压型钢板（聚氨酯保温夹心）和倒置式屋面保温构造，其屋面传热系数为0.275W／（m²ok）。此外，部分平屋面采用屋顶绿化技术，结合保温材料和防水技术，以达到节能和改善顶部房间室内热环境的良好效果。

　　（4）地面地面采用50mm厚挤塑聚苯板保温，其导热系数为0.029W／（mok），其平均传热系数为0.25W／（m2ok）。

　　在上述措施下，本工程的建筑节能目标达到65％。

　　4太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式

　　南、北两区均采用地源热泵系统、太阳能系统作为空调采暖系统的冷热源。办公区域夏季采用风机盘管加新风系统；冬季，北区采用地面辐射采暖系统，南区采用风机盘管加新风系统；试验区域夏季不设空调，冬季采用辐射型散热器采暖系统，保证值班采暖温度。设计工况下的负荷为：北区冬季热负荷110kW，夏季冷负荷55kW；南区冬季热负荷298kW，夏季冷负荷140kW. 4.1太阳能系统与地源热泵系统联合供热太阳能系统与地源热泵系统联合供热的原则是；以地源热泵系统为主，太阳能系统为辅助热源，但在运行控制上要优先采用太阳能，并加以充分利用。在供热运行模式下，北区试验区域采用的散热器采暖系统与办公区域采用的地面辐射采暖系统串联运行，以提高太阳能的利用率。

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